最全的医学成像原理课件-第5章 计算机X线体层成像

动干扰影响较小。
• 4．数据采集要精确 CT 图像重建和图像处理等都是以数据采集为依据 的，所以提高数据采集过程中的精确度，是保证获取高质量的CT 图
像的关键。
二、常规CT 扫描方式
• 扫描（scanning）：是用近似于单能 窄束的X 线束以不同的方式、按一定 的顺序、沿不同的方向对划分好体 素编号的受检体层进行投照，并用 高灵敏度的检测器接收透过一排排 体素后的出射X线束的强度（I）。 • 扫描是通过扫描装置来完成的。X 线 管和检测器组成扫描机构，它们围 绕扫描床上的受检体进行同步扫描 运动，这种同步扫描运动形式称为
• 以四层螺旋CT 为例，说明多层面CT 的特点。
• 1．检测器阵列 四层螺旋CT 具有四组通道的多排检测器阵列，分为对
称型和非对称型两种。检测器阵列的排列方式主要有以下三种。 • 第一种是有16 排检测器，每排均为1.25mm 宽、每排912 个检测器， 最大覆盖范围为20mm。 • 第二种的检测器有34 排，中间4 排为0.5mm，两侧是30 排1.0mm 宽 、每排896 个检测器，最大的Z 轴覆盖范围为32mm。 • 第三种是4 对8 排非对称型检测器，宽度分别为1mm、1.5mm、 2.5mm、5mm，每排672 个检测器，最大的Z 轴覆盖范围为20mm。
第二节 CT 成像原理
• 一、CT 机的基本构造 • CT 机的基本结构是指CT 机的硬件组成，主要包括扫描机架系统、计 算机系统和外围设备。 • 1．扫描机架系统 扫描机架可根据检查的需要，进行正负25o的倾斜 。扫描机架系统包括X 线管、X 线发生器、检测器、准直器和模/数转 换器等。 • 目前CT 机使用的检测器分为固体和气体检测器。
，螺旋扫描的覆盖区域是对某一区段进行连续采集。需要对原始螺旋
投射数据进行插值处理，才能得到足够多的重建平面投射数据。常用 的插值方法为线性内插法，线性内插法包括全扫描内插法（FI，
360°线性内插）和半扫描内插法（HI，180°线性内插）。
• 螺距（pitch）：定义为扫描架旋转一周360° 进床距离与透过检测器
• （二）CT 成像原理
• 在X 线穿透人体组织、器官时，由于人体组织、器官是由多种物质成
分构成的，所以各点对X线的吸收系数是不同的。为了便于分析，将
每个体素内物质的密度均匀，即为单质均匀密度体，用μ表示体素的 吸收系数。
• 吸收系数μ受X 线波长、物质原子序数Z 和密度ρ的影响。因此，必须 对CT 图像重建过程中的X 线硬化效应要进行校正，减小由X 线束硬化 效应造成的CT 图像不均匀性。
第五章 计算机X线体层成像
主要内容
• 第一节 概述 • 第二节 CT成像原理 • 第三节 数据采集与扫描方式
• 第四节 CT图像重建
• 第五节 CT图像处理 • 第六节 CT图像质量
第一节 概述
• • • • • • • 1971 年9 月英国工程师豪斯费尔德（G.N.Hounsfield）研制出第一台CT 并与 放射线医生一起获得第一幅头部的CT 图像。 1974 年全身CT 成像装置研制成功。 1989 年在滑环技术的基础上，螺旋CT 问世，由传统二维采样的扫描模式进
器；②CT 值的校正和输入数据的扩展；③与操作者对话并控制扫描
等信息的传送；④图像重建的程序控制；⑤故障检修及分析。 • 列阵处理机是在主控计算机的控制下进行图像重建等处理。
• 3．外围设备 包括检查床、操作台和图像存储和记录部分（硬盘、软
盘、磁带机、光盘等）
二、C T 成像过程
三、CT 成像原理
• （二） 多层面螺旋CT
• 传统CT 机是X 线管和检测器围绕人体旋转一圈获得一幅人体断面图像
，而多层面CT 机则旋转一圈同时可以获得2 幅以上的图像。MSCT 的 核心之一是检测器阵列的结构和数据采集系统（DAS）。 • 检测器在Z 轴方向的数目已从一排增加到了几排直至上百排，又称多 排检测器CT （multirow detectorCT）。目前检测器的排列方式有两种 类型：一种是均等分配的等宽型（对称型排列），即在Z 轴方向的多 排检测器宽度是一致的；另一种是检测器的宽度不均等分配的非等宽 型（非对称型排列）。这些组合是由检测器后面的电子开关来实现的 ，通过电子开关再将信号传递给数据采集系统。
• 4． 投影 把投照受检体后出射的X 线束强度I 称为投影（projection） ，投影的数值称为投影值，投影值的分布称为投影函数。 • 5．部分容积现象 如果划分的体素内包含有几种不同的组织成分，则
该体素的CT 值应是所含各种成分的加权平均值。在这种情况下，平
均CT 值不能准确地与体素内任何一种组织成分的密度相对应，这种 现称为部分容积现象（partial volume phenomenon）。
第三节 数据采集与扫描方式
• 一、数据采集的基本原理、原则 • CT 数据采集目的是获取重建图像的原始数据。CT 成像的数据采集是 利用X 线管和检测器等的同步扫描来完成的。
• （二）数据采集原则 • 1．投影是X 线束扫描位置的函数 数据采集须按照被测体层平面的空
间位置有规律地进行，图像重建过程也是按数据采集中确定好的空间
性分辨力。达到各向同性分辨力的成像可以任意角度重建图像。
四、双源CT
• 双源计算机断层成像系统（DSCT ）是2005 年在北美放射学会上推 出的，它使用两个X 线源和两套 检测器来采集数据。两套X 线管
和两套检测器在XY 平面上间隔90
°，即通过机架旋转90 °即可获 得180 °数据。
• 双源CT 采用双能量探头技术，扫
• CT 成像比常规X 线的影像学检查有优势：
• 1．断面图像 CT 通过准直器的准直，可消除人体内组织、器官间的相
互重叠影像，获得无层面外组织结构干扰的横断面图像，能准确地反 映横断平面上组织、器官的解剖结构。 • 2．密度分辨力高 CT 的准直器减少了散射线。此外，CT 还利用软件 对灰阶的控制，加大了人眼的观测范围。一般CT 的密度分辨力比常 规X 线检查高20 倍。 • 3．可做定量分析 CT 能够通过各种计算进行定量分析，如CT 值、骨 矿含量、心脏冠状动脉的钙化等测量，有助于临床诊断。
扫描方式。
三、螺旋CT
• （一）单层螺旋CT
• 螺旋CT 扫描是一种容积扫描（volumetric scan），实现了由二维解剖
结构图像进入三维解剖结构图像的飞跃。螺旋CT 最重要的突破是使 用滑环技术，去掉了常规CT 扫描过程中旋转的电缆。
• 在螺旋扫描过程中，由于X 线管和检测器相对于被检者作螺旋状运动
位置来重建。 • 2．扫描应毫无空隙的覆盖或局部的重叠 在将被检测体层平面预先划 分好各个体素后，X 线束的扫描要通过各个体素一次以上，这样才能 保证得到各个位置上的投影值，计算出各个体素的吸收系数。 • 3．提高扫描速度 根据人体正常的生理状态，将扫描速度提到高于这 些组织器官的运动速度，可使数据采集受被测体层内的组织器官的蠕
• （一）CT 图像相关概念 • 1．体层 • 2．体素
• 3．CT 值 国际上对CT 值的定义为：CT 影像中每个像素所对应的物质
对X 线线性平均衰减量大小。实际应用中，均以水的衰减系数作为基 准，CT 值定义为：人体被检组织的吸收系数μx 与水的吸收系数μw的
相对差值，即：
• 式中：K 是分度因数，常取为1000。CT 值的单位为〝HU〞（ Hounsfield Unit）。
的X 线束厚度的比值，是一个无量纲的量： • 式中：d 为扫描架旋转一周进床距离， S 为透过检测器的X 线束厚度 。在单层螺旋CT 中，X 线束厚度等于检测器准直宽度，即等于采集层 厚。 • 螺旋CT 扫描与常规CT 扫描相比主要优点：①提高了扫描速度，不会 产生病灶的遗漏，并减少了运动伪像；②由于是容积扫描，即对人体 的某一区段做连续的扫描，获得的是某一区段的连续数据（容积数据 ），提高了二维和三维重建图像的质量；③根据需要任意地、回顾性 重建图像，无层间隔大小的约束和重建次数的限制；④单位时间内的 扫描速度提高，提高了增强时对比剂的利用率。
• 4．可进行各种图像的后处理 可借助各种图像处理软件，对病灶的形
状及结构进行分析，获得高质量的三维图像和多平面图像。
• 但CT 也有其局限性和不足：
• 1．空间分辨力不如常规X 线成像 目前，中档的CT 机其极限分辨力约 10LP/cm，而高档的CT 机其极限分辨力约14LP/cm。 • 2．对部分脏器的检查有局限性 CT 对于空腔性脏器如胃肠道的显示， 由于其无规则的蠕动，还不能替代常规的X 线检查。CT 对于血管造影 的图像质量不及DSA。 • 3．目前不能实现功能成像 目前，CT 图像主要反映的还是解剖学的结 构，对于脏器功能和生化方面成像尚处于研究中。
• 2．数据采集通道 四层螺旋CT 根
Leabharlann Baidu
据所选层厚的不同，将多排检测
器组合成不同的四组，构成四组 数据采集通道。
• 3．X 线束 在单层螺旋CT 中，X
线束的宽度等于层厚。在MSCT 中，X 线束的宽度等于多个（或4 个）层厚之和，覆盖检测器Z 轴 方向的总宽度，X 线的利用率大 大提高。
• 4．层厚的选择 单层螺旋层厚是通过前准直器改变X 线束的宽度完成
• 3．提高时间分辨力 单层螺旋CT 的旋转一周时间通常是1 秒，而MSCT 可提供0.5 秒/周甚至更快的转速，目前使用的64 层螺旋CT 的旋转时
间最快可达0.33 秒。旋转时间的缩短明显提高了时间分辨力。
• 4．提高Z 轴空间分辨力 MSCT 单个检测器的宽度从0.5～5.0mm 不等 ，最薄扫描层厚达到0.5mm，提高了Z 轴的空间分辨力，实现各向同
• MSCT 与单层螺旋CT 相比有很多优点。 • 1．提高了X 线利用率 MSCT 的X 线管输出的X 线可多层同时利用，提 高了效率，提高X 线利用率。曝光时间缩短降低了X 线管的热量积累 ，延长了X 线管的使用寿命。 • 2．扫描速度更快 由于MSCT 旋转一周可以产生四层或更多层的图像
，其扫描速度可达单层螺旋CT 的4 倍以上。
展为三维采样。
1992 年研制成功双层螺旋CT，开创了多层螺旋扫描的先河。 1998 年多层面CT 的诞生，使得X线管围绕人体旋转一圈能同时获得多幅断面
图像。
2004 年推出的64 排螺旋CT（容积CT），开创了容积数据成像的新纪元。 2005 年双源CT（DSCT）研制成功，通过两套X 线管系统和两套检测器来采集 数据，实现了单扇区的数据采集。
• 2．δ-函数 δ-函数又称单位脉冲函数，或狄拉克（Dirac）函数。δ-函
数具有筛选性质，即：
描时两个X 线管的管电压分别为 80kV 和140kV，可同时采集高能 和低能的数据。
第四节 CT 图像重建
• 一、数理基础 • 1．系数分布的数学描述
• 投影值是图像重建过程中通过检 测器采集到的数据，每采集到一 个数据就得到一个以线性衰减系 数μi 为未知数的多元一次线性方 程，多方向投影得到一系列方程 组，进一步可求解出μ ij的二维 分布矩阵，这就是CT 重建图像 。
• CT 准直器分为：一是X 线管端的准直器（前准直器）；二是检测器端
的准直器（后准直器）。准直器的作用通过调节X 线束的宽度减少被 检者的X 线剂量和散射线，此外，还决定CT 扫描的层厚。
• 2．计算机系统 计算机系统一般由主控计算机和阵列计算机两部分组 成。 • 主控计算机的作用：①控制和监视扫描过程，并将扫描数据送入存储
的，使线束的宽度等于层厚。多层螺旋的层厚不仅取决于X 线束的宽 度，而且取决于不同检测器阵列的组合，因此，其层厚是由X 线管端 和检测器端的两个准直器共同完成的。 • 5．螺距 多层面CT 应用了多排检测器阵列，X 线束被多排检测器分为 多束更细的X 线，因此，多层面CT 的螺距为： • 式中：d 为扫描架旋转360o进床距离；S 表示层厚；M 表示检测器排 数，即扫描一周获得的图像层数。 • 6．图像重建算法 主要采用两种方法：优化采样扫描和滤过内插法。 • 7．智能扫描 可在扫描过程中变化扫描条件。